Volumul și Viteza sunt principalele progrese în Tehnologia Rețelelor Centrelor de Date

30 NOIEMBRIE 2015

Aproape toată lumea și cu siguranță toți inginerii au auzit de Legea lui Moore, în care Gordon Moore a prezis că avansul tehnologic duce la dublarea numărului de tranzistori pe un cip electronic, cam din doi în doi ani. Mai puțini sunt cei care au auzit de echivalentul acesteia pentru rețele, Legea lui Metcalfe, formulată de Robert Metcalfe, care afirmă că valoarea unei rețele de telecomunicații este direct proporțională cu pătratul numărului de utilizatori conectați la sistem.

de Murray Slovick


IoT_EA1015_Fig-1

Pentru a putea manipula “Date masive”, centrele de date au nevoie de mii de servere.

Aproape toată lumea și cu siguranță toți inginerii au auzit de Legea lui Moore, în care Gordon Moore a prezis că avansul tehnologic duce la dublarea numărului de tranzistori pe un cip electronic, cam din doi în doi ani. Mai puțini sunt cei care au auzit de echivalentul acesteia pentru rețele, Legea lui Metcalfe, formulată de Robert Metcalfe, care afirmă că valoarea unei rețele de telecomunicații este direct proporțională cu pătratul numărului de utilizatori conectați la sistem. Mai pe înțelesul tuturor, cu cât este mai mare numărul utilizatorilor unui serviciu de rețea, cu atât este mai valoros serviciul pentru comunitate. Acum să ne gândim la Internetul Tuturor Lucrurilor (IoT), în care utilizatorul nu trebuie să fie uman, ci mai curând o mașină. Ethernetul s-a dezvoltat ca sistem pentru conectarea calculatoarelor dintr-o clădire prin folosirea echipamentelor periferice care sunt în exploatare de la un calculator la altul. A evoluat într-o familie de tehnologii de rețea și ultimul său ciclu, Ethernetul de 40/100 Gigabiți (GE) standard care este cunoscut ca IEEE 802.3ba, a fost scris cu gândul la comunicațiile din centrele de date.
Pentru administrarea unei întregi lumi la viteză mare de conectivitate constantă, centrele de date de astăzi sunt sediul a mii de servere gazdă alocate în grupuri. Fiecare gazdă constă într-unul sau mai multe procesoare, memorie, interfața rețelei și intrări / ieșiri (I/O) locale de viteză mare conectate la o rețea cu o lărgime de bandă mare. Ethernetul servește ca o interconectare de grup în majoritatea cazurilor (cu InfiniBand pe locul doi).

Creștere nemaiîntâlnită

IoT_EA1015_Fig-4

Figura 1: Totalul dispozitivelor conectate, miliarde de unități/baza instalată. (Sursă: Gartner)

Industria centrelor de date crește în mod constant și la o valoare accelerată pe măsură ce din ce în ce o mai mare parte a lumii se conectează pe internet și mai multe afaceri aleg sistemul “cloud” pentru infrastructura lor de date. Dar poate mai mult decât orice alt factor, IoT-ul va avea un efect potențial de transformare a pieței centrelor de date ca și al furnizorilor de astfel de servicii și tehnologiile acestora. Firma de cercetare Gartner, Inc. estimează că până în 2020, IoT-ul va include 26 de miliarde de unități instalate care vor genera o cantitate de date aproape nelimitată și care trebuie procesate și ana­lizate în timp real. Aceste date vor reprezenta o proporție și mai mare de încărcare a centrelor de date, făcându-i pe furnizorii de astfel de servicii să facă față unor noi provocări în ceea ce privește capacitatea, viteza, analitica și securitatea.

Lărgimea de bandă necesară

Furnizorii de servicii cu motoare de căutare și alți utilizatori de mari volume de date (forumuri ale rețelelor sociale, site-uri de cumpărături în timp real, furnizorii de servicii video în timp real) plătesc sume mari pentru cabluri groase de conectare între centrele lor de date. Folosind motoarele de căutare de exemplu, miile de servere dintr-un centru de date, indexează întreaga rețea Web folosind cuvinte cheie și metadate pentru căutarea pe internet. Google indexează 20 de miliarde de pagini pe zi. De îndată ce această sarcină a fost completată, aceste indexuri trebuie să fie mutate repede în alte centre de date pentru a rămâne relevante. Cablul care leagă centrele de date trebuie să fie suficient de mare pentru a permite aceste cerințe, dar dacă indexurile s-au mutat, utilizarea cablului scade, iar serverele, care acum ar putea fi folosite pentru altceva, pot să stagneze dacă datele nu se mută destul de repede.
Deci lărgimea benzii este unul dintre considerentele principale pentru volume mari de date. E o ecuație simplă, ușoară: cu cât este mai rapidă conectarea, cu atât este mai bun serviciul. În momentul de față, transmisii la 10 Gbiți sunt conectările cele mai rapide pe Ethernet de largă folosință. Să punem asta în perspectivă; considerați că majoritatea caselor și afacerilor se conectează la Ethernet cu un cablu pereche răsucit de categoria 5, care poate transmite până la 1 Gbit/s.
Pentru infrastructura internă, centrele de date încep să adopte standardul IEEE 802.3ba pentru conectări la Ethernet de 40 Gbit/s și 100 Gbit/s, de 40 și de 100 de ori mai rapide, respectiv, decât cablul pereche răsucit de acasă. Prima dată definit de către IEEE în 2010, Ethernetul de 100 de Gigabiți (sau 100GbE) și Ethernetul de 40 de Gigabiți (40GbE) reprezintă pentru prima dată când două viteze diferite de Ethernet sunt specificate într-un singur standard. Decizia de a include ambele viteze a venit de la presiunea de a sprijini viteza de 40 de Gbit/s pentru aplicații de server locale pe când cel 100GbE adresează mai bine aplicațiile de tip conglomerat de rețea, cum ar fi conectări între client și furnizorul de servicii, magistralele internetului, rețele de bază etc. Acum doi ani, Raportul de Evaluare al Lărgimii de Bandă al IEEE a estimat că lărgimea de bandă a rețelei de bază se dublează la fiecare 18 luni, cu lărgimea de bandă a serverului dublându-se la 24 de luni.

Amplasarea legăturilor Ethernet de 40 și 100 de Gbiți/s în centrele de date a început în principal acolo unde traficul este cel mai mare, cum ar fi de la dulap la dulap în cadrul centrului de date. Majoritatea centrelor folosesc în momentul de față pe cele 40GbE, dar cu creșterea cererii, o migrație rapidă la cele 100GbE e doar o chestiune de timp. Furnizorii de servicii de internet au început să instaleze 100GbE de când au devenit disponibile pe rutere pentru că ele au nevoie de cele mai mari cabluri.
Aplicațiile pentru aparate mobile conduc de ase­me­nea la ceea ce este cunoscut ca trafic est-vest (traficul dintre și între servere sau traficul de la stocare de date la servere) în loc de traficul nord-sud (de la client la server). Conform Cisco, traficul de date de anul trecut la mobile a fost aproape de 18 ori mai mare decât cel de pe întregul internet global din 2000. Un exaoctet (eB) de trafic care a traversat internetul global în 2000 (1eO înseamnă 1018 octeți sau 1 miliard de gigaocteți) în timp ce în 2013, rețelele mobile au transportat aproape 18 exaocteți de trafic.

Intel a calculat că pentru fiecare 600 de telefoane care sunt pornite, trebuie utilizată întreaga capacitate lunară a unui server pentru a putea alimenta toate aceste telefoane. 120 de tablete ar avea nevoie de capacitatea unui alt server și tot așa și 20 de tablouri de semnale digitale și 12 camere de supraveghere.

La viteza luminii

IoT_EA1015_Fig-3

Figura 2: Structura unei fibre monomod tipice: 1. Miez 8µm diametru; 2. Armătură 125µm diametru; 3. Înveliș de protecție 250µm diametru; 4. Înveliș exterior 400µm diametru. (Sursa: Wikipedia)

Liniile din fibra optică transferă biții și octeții pe măsură ce impulsurile de lumină se deplasează pe cablu. Într-un centru de date, acestea se duc la dulapurile conectate la rutere interne, care la rândul lor trimit informațiile la servere. Standardul IEEE 802.3ba permite multiple canale de 10 Gbiți/s care să funcționeze în paralel sau prin multiplexare cu divizarea lungimii de undă (WDM), depinzând dacă acele cabluri sunt cu fibră mono sau multimodală (MMF). Canalele de 10 Gbiți sunt compactate pentru a deveni de 4 ori (40Gbps) sau de 10 ori (100 Gbiți/s) mai rapide. În majoritatea cazurilor, cablurile cu fibră multimodală (MMF) sunt folosite pentru a asigura cabluri din fibre necesare pentru conectări de 40 până la 100 de Gbiți/s.
Inginerii pot găsi Receptoare/Emițătoare/ Emițătoare – Receptoare (transceiver) pentru fibră optică pe website-ul Mouser de la furnizori precum Avago, Emerson Connectivity, Omron, Sharp, Toshiba și TT Electronics.
Având un diametru de bază mai mare, cablul cu fibră multimodală (MMF) permite mai multor lungimi de undă a luminii să circule de-a lungul său. Fibra optică monomod (SMF) este proiectată să transporte lumina doar direct de-a lungul fibrei și este mult mai îngustă decât cablurile multimodale (MMF). Fibra optică monomod (SMF) este mai bună la păstrarea fidelității fiecărui impuls luminos pe distanțe lungi decât fibra multimodală, deoarece dispersia intermodală nu poate avea loc deci sunt mai puține șanse ca datele să fie încetinite.
WDM divizează mai multe lungimi de undă în fibre separate pentru transfer monomod. Aceasta permite mai multor date să fie transferate pe un singur cablu prin folosirea mai multor lungimi de undă (de. ex. culori) ale luminii laserului pentru mai multe informații. Un multiplexor și de-multiplexor, așezate la oricare din capetele cablului, împreunează și res­pectiv, desparte acest semnal luminos mixat.

Inginerii pot găsi module de conversie media Ethernet la furnizori cum ar fi Phoenix Contact care permit transmisie dublă completă de la sistemul 10/100 TX de bază (cel mai rapid standard Ethernet asigurat de marea majoritate a componentelor Ethernet produse în momentul de față) la fibra de sticlă simplă individuală cu tehnologie WDM (multiplexarea prin divizarea lungimii de undă).
De exemplu, producătorul piesei 2902659 oferă comunicații duble complete cu doar o fibră (optică) și transmitere până la 38 de km.

Parcursul distanței

IoT_EA1015_Fig-2

Figura 3: Modulul transceptor FTL410QD2C QSFP+ al firmei Finisar (Sursă: Finisar)

Centrele de date devin masive, ocupând milioane de metri pătrați, fiind tot mai greu de ajuns la ele pentru conectivitate. Un grup tipic are câțiva kilometri de cablu din fibră optică, care acționează ca un fel de autostradă care conectează dulapurile de servere la nivelul centrelor de date. Principala barieră pentru adoptarea sistemului de conectare Ethernet de 100 de Gbiți nu a fost doar costul, dar și lipsa de densitate a comutatoarelor [de rețea]. Distanța dintre comutatoare în centrele de date moderne este mai mare de 100 de metri; în multe cazuri poate fi de 500 de metri și în unele cazuri poate fi chiar până la un kilometru sau mai mult.
Acest lucru crează o oportunitate enormă pentru a dezvolta link-uri optice de consum redus care pot să se întindă pe distanțe mari în centrele de date și care funcționează la viteze de transmitere a datelor de până la 100 de Gbiți/s. Au apărut deja câteva consorții pentru a satisface cererea de operatori în domeniul centrelor de date pentru o interfață optică de 100 GbE de consum redus și care poate duce mai mult de 100 de metri, care este între specificația de bază IEEE 100G SR4 care se referă la distanțe de 100 de metri și 100G -LR4 care se referă la distanțe de până la 10 km.
Intel și Arista (împreună cu eBay, Altera, Dell, Hewlett-Packard și alții) au format la începutul acestui an un grup deschis în industrie și o specificație care adresează accesul la un centru de date de până la 2 km, printr-o fibră multimod, dublă cu 4 benzi de 25 de Gbiți/s de traseu optic. Alianța CLR4 100G proiectează o interfață pentru sisteme optice de mică putere pentru un transmițător cu conectare (abreviere QFSP sau QFSP+). Transmiterea standard a semnalelor prin fibră optică, astăzi, asigură 10 benzi de 10 Gbiți/s ceea ce va duce la cabluri mai groase, mai scumpe. Grupul CLR4 100G spune că standardul său va reduce numărul fibrelor cu 75 la sută.
Mouser oferă transceptoare QFSP de la Avago Technologies, Finisar, 3M și TE Connectivity. Sistemul compact QFSP+ cu factor de formă permite consumuri reduse și densitate ridicată. De exemplu, modu­lul transceptor FTL410QD2C al firmei Finisar este proiectat pentru a fi utilizat în conectări la 40 de Gbiți/s prin transmitere cu fibră multimod, inclusiv diviziune în patru link-uri de 10 Gbps.
CWDM4 MSA (Coarse Wavelength Division Multiplexed 4x25G Multi-Source Agreement – Diviziune Brută a Lungimii de undă multiplexată 4x25G) este un alt grup ce adresează 100GbE pentru distanțe peste 500 m și până la 2 km. Cei patru membri ai grupului CWDM4 MSA (Avago Technologies, Finisar Corp., JDSU, and Oclaro) spun că vor oferi interfețe interfuncționale la 100G pentru 2 km folosind fibră optică mono- mod dublă (SMF) 4x25G.
Șase furnizori de astfel de tehnologie au creat grupul cu patru benzi PSM4 (Paralel Single Mode – Mono mod paralel) MSA care va folosi un sistem paralel la 100 de Gbiți/s într-un centru de date. Companiile (Avago Technologies, Brocade, JDSU, Luxtera, Oclaro, și Panduit) spun că e nevoie de transceptoare optice PSM4 pentru a satisface cerințele unor conectări la 100-Gbiți/s care să ajungă până la 500 m.

Ce urmează

Dezvoltarea rapidă a serverelor, rețelelor și traficului pe internet fac necesare viteze de transfer a datelor și mai mari, densitate mai mare și soluții pentru Ethernet pe fibră optică la cost mai redus. Pentru a sprijini aceste structuri în evoluție, IEEE lucrează la cerințele noului nivel fizic. Acest proiect are ca scop specificarea adăugărilor și modificărilor standardului IEEE 802.3 pentru a adăuga parametri de mana­gement și specificațiile stratului fizic (PHY) de 100 de Gbiți/s folosind o interfață electrică cu patru benzi pentru funcționarea pe cabluri cu fibră optică multimod și monomod și pentru a specifica Ethernetul Eficient Energetic (EEE) pentru funcționarea pe cabluri cu fibră optică la 40 și 100 de Gbiți/s. Pe lângă aceasta, va adăuga specificații și parametri de management ale Stratului Fizic de 40 de Gbiți/s (PHY) pentru funcționarea pe distanțe lungi (> 10 km.) a cablurilor cu fibră optică monomod. Mai sus numitul standard P802.3bm se așteaptă să fie complet în primul trimestru al anului 2015.

400 Gbps, în dezvoltare acum, va fi noua viteză a Ethernetului. Așteptată să apară pe piață după 2016, Grupul de studiu al IEEE 802.3 400 GE format în martie 2013 a stabilit că obiectivele inițiale pentru viteza de 400GE ce utilizează fibră (optică) OM3 și OM4 și canale de 25Gbps să fie similare cu standardele propuse de P802.3bm. Până în 2017 se așteaptă ca noul standard 400 GE să fie completat.

Generarea datelor se face la un nivel nemaiîntâlnit. Compania de cercetări IDC prezice că volumul de date se va dubla din 18 în 18 luni. Twitter primește peste 200 de mili­oane de mesaje pe zi; Facebook adună mai mult de 15 Tbiți pe zi. Și Internetul Tuturor Lucrurilor (Internet of Things) care gestionează datele generate de echipamente de la senzori, dispozitive, module de radio frecvență (RFID) etc. – ar putea cu ușurință să depășească aceste numere.

Dar volumul e doar o parte din ecuație. Și viteza contează. Cu cât se cuplează mai mulți la mediile sociale de comunicare și se conectează pe internet, răspunsul în timp real – sau foarte aproape de timpul real – devine critic. Creșterea continuă a serviciilor web și calcularea în sistemul “cloud” a creat nevoia de centre de date pe scară largă. Dar fără viteze mari și circuite masive, centrele de date proiectate să sprijine volume mari de date vor fi sufocate de acestea. ■
www.mouser.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre